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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司鄧澤凡，王桂蘭，李剛，石桂連，彭立，董曉峰

1　介紹

核電數(shù)字儀控系統(tǒng)（核電DCS），被稱為核電站的“神經(jīng)中樞”，控制著核電站數(shù)百個系統(tǒng)、上萬個設備的運行和各類工況的處理過程，保障了核電站的安全運行。該系統(tǒng)是核電領域復雜的重大裝備，也是核電廠的保護系統(tǒng)，其運行的穩(wěn)定性和可靠性是核安全的重要保障^[1]。如果DCS系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會導致核電廠的安全問題，因此對DCS系統(tǒng)進行巡檢是至關重要的^[2]。

本文將介紹一種基于核電DCS系統(tǒng)的智能在線巡檢設計，該設計可以實時監(jiān)控DCS系統(tǒng)的運行狀態(tài)，包括各種設備的健康參數(shù)、運行狀況、環(huán)境因素等，幫助管理人員及時掌握系統(tǒng)運行情況，并發(fā)現(xiàn)潛在問題。該設計可以通過數(shù)據(jù)分析和處理，提前預警可能出現(xiàn)的問題，指導管理人員開展隱患治理和設備維護工作。該設計可以實現(xiàn)自動化、智能化的管理，提高了巡檢的準確性和效率，減少了人力成本，為核電站的安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。

本文首先在第二部分介紹了當前核電DCS系統(tǒng)的巡檢流程，并討論了核電DCS系統(tǒng)巡檢的痛點，得到了智能在線巡檢的設計需求；其次在第三部分具體說明了核電DCS智能在線巡檢設計（包括8個功能設計及流程：巡檢工作設置、巡檢數(shù)據(jù)的存儲、在線記錄設備健康狀態(tài)、在線記錄設備異常報警、在線檢查環(huán)境參數(shù)、現(xiàn)場檢查設備和環(huán)境信息、生成電子化巡檢報告和配置巡檢工作設置模板）、智能在線巡檢的運行架構設計、數(shù)據(jù)交互設計和業(yè)務架構設計；最后，在第四部分依據(jù)上述設計搭建原型驗證了核電DCS智能在線巡檢功能，并給出了結論。

2　核電DCS系統(tǒng)的巡檢需求

2.1　當前核電DCS系統(tǒng)的巡檢流程

目前核電DCS系統(tǒng)由工程師在現(xiàn)場檢查設備狀態(tài)，并對設備相關信息進行收集，再通過人工的方式記錄下來。核電DCS系統(tǒng)的日常巡檢要求包括檢查各種設備的運行狀態(tài)，如服務器、工程師站、打印機、機柜、風扇、照明燈等，確保它們都處于正常工作狀態(tài)^[3]。此外，也需要檢查系統(tǒng)的各種參數(shù)，如環(huán)境溫度、相對濕度等，確保它們符合規(guī)定的范圍。這些工作都是人工完成的。在做好一般系統(tǒng)和設備巡檢工作的基礎上，工程師要確保重點系統(tǒng)和設備，需要人工選取巡檢的設備范圍和需要查看的參數(shù)。設備的巡檢需要按照一定的順序進行，例如以廠房為單位，以系統(tǒng)為中心，按系統(tǒng)流程的順序，檢查相關的設備，工程師需要確認巡檢路線并在完成每項檢查后進行記錄^[4]。

每次巡檢完成后，工程師需要進行詳細的記錄，包括巡檢的時間、巡檢的內(nèi)容、發(fā)現(xiàn)的問題以及采取的措施等。這些記錄對于了解系統(tǒng)的運行狀況以及進行后續(xù)的維護工作非常有幫助。由于核電安全性的要求，核電DCS設備故障需進行定位和溯源分析，并形成書面事件報告^[5]。綜上，總結當前核電DCS設備巡檢工作流程如圖1所示。

圖1 核電DCS設備巡檢工作流程

2.2　當前核電DCS系統(tǒng)巡檢的痛點

（1）設備健康監(jiān)控

當前人工巡檢的內(nèi)容和時間范圍有限，現(xiàn)有設備的可測健康參數(shù)較少，絕大部分健康檢測的數(shù)據(jù)在現(xiàn)役機組上沒有采集，對軟件、環(huán)境因素缺少檢查手段，只能確定檢查時刻的設備健康狀態(tài)，不能持續(xù)監(jiān)測^[6]。

（2）設備異常檢測

當前人工巡檢的檢查深度不足，現(xiàn)有巡檢憑經(jīng)驗進行人工判斷和評估，缺少數(shù)據(jù)支持；同時系統(tǒng)存在亞健康的時候不能識別，系統(tǒng)負荷出現(xiàn)忽高忽低，但未達到報警值的時候不能及時檢測與發(fā)現(xiàn)^[7]。核電DCS系統(tǒng)智能在線巡檢設計對設備異常實現(xiàn)了及時感知和告警，并能夠及時干預確保系統(tǒng)正常運行^[8]。

2.3　核電DCS系統(tǒng)智能在線巡檢設計需求

由于核電站DCS系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性是核能安全的重要保障，一些廠商也開展了核電DCS系統(tǒng)在線巡檢有關的技術研究工作：

中核武漢核電運行技術股份有限公司發(fā)布了核電廠DCS健康管理平臺解決方案，主要用于實現(xiàn)DCS系統(tǒng)實時健康狀態(tài)評價、長期健康狀態(tài)評價、故障診斷、故障預警、壽命評估等功能^[9]。不過該系統(tǒng)主要監(jiān)控對象為DCS硬件設備，不能對DCS軟件運行進行監(jiān)控。

工業(yè)控制和自動化廠商和利時推出了具有全自主巡檢+智能運維監(jiān)控功能的智慧機房系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用機器人巡檢，通過圖像識別和視頻處理內(nèi)部模型形成監(jiān)控攝像頭之間的映射關系^[10]。該系統(tǒng)主要依靠攝像頭監(jiān)視設備運行狀態(tài)，可監(jiān)視的設備狀態(tài)參數(shù)較少且無法感知設備內(nèi)部運行狀態(tài)。

結合當前核電DCS系統(tǒng)巡檢的痛點和行業(yè)調(diào)研結果，本文形成核電DCS智能在線巡檢設計的需求如下：

（1）監(jiān)控覆蓋內(nèi)容廣，在線實時采集、監(jiān)測包括DCS自身和環(huán)境相關的健康數(shù)據(jù)。

（2）支持在線巡檢和現(xiàn)場巡檢兩種檢查方式，利用多種先進方法提高巡檢效率，包括語音或閃爍提示等，能夠及時、準確地判斷設備的故障狀態(tài)。

（3）對巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，建立數(shù)據(jù)庫支持數(shù)據(jù)存儲、記錄和查看。

我們依據(jù)以上需求進行設計，使得核電DCS系統(tǒng)巡檢效率和功能得到顯著改觀，優(yōu)化改進點如表1及圖2所示。

表1 智能在線巡檢優(yōu)化改進點

圖2 智能在線巡檢優(yōu)化項

3　核電DCS智能在線巡檢設計

3.1　智能在線巡檢功能設計

核電DCS智能在線巡檢共有8個功能設計及流程，其工作流程框圖如圖3所示。

圖3 在線巡檢工作流程圖

3.1.1　巡檢工作設置

巡檢工作設置針對當前定期巡檢項目少，新增了大量、主要設備軟硬件設備的健康參數(shù)作為檢查項。巡檢工作設置是智能在線巡檢的第一步，工程師在巡檢開始前需設置巡檢工作計劃、巡檢項目、巡檢周期和巡檢路線。

設置巡檢工作計劃是在巡檢工作開始前，對巡檢類型、執(zhí)行的時間范圍、巡檢方式進行設置。

巡檢項目是在做好一般系統(tǒng)和設備巡檢工作的基礎上，首先要確保設置巡檢項目包括重點系統(tǒng)和設備。工程師可在巡檢界面設置從數(shù)據(jù)庫調(diào)取的巡檢項目信息，包括設備編碼、設備名稱、設備房間號、設備機柜編號、板卡位置。常規(guī)的巡檢項目內(nèi)容包含設備環(huán)境參數(shù)和設備健康參數(shù)。

巡檢周期是針對不同系統(tǒng)、設備的狀況和特點制定的，既不浪費巡檢資源又保證系統(tǒng)、設備的狀況處于有效的監(jiān)控之下。

此外，設備的巡檢需要按照一定的順序路線進行，并需要按照一定的流程順序檢查相關的設備。工程師在巡檢時需要依據(jù)虛擬平面位置地圖上標注的設備房間號和位置點，按順序檢查。

3.1.2　巡檢數(shù)據(jù)的存儲

巡檢數(shù)據(jù)的存儲是針對當前定期巡檢只檢查少量指標類、環(huán)境類參數(shù)進行的改進。巡檢數(shù)據(jù)的存儲是將采集到的設備健康參數(shù)、設備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)和巡檢報告記入數(shù)據(jù)庫。從被檢核電DCS系統(tǒng)發(fā)送的軟硬件設備健康參數(shù)、軟硬件設備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)和巡檢報告經(jīng)過健康管理網(wǎng)傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測系統(tǒng)后，記入數(shù)據(jù)庫。對這些數(shù)據(jù)進行篩選與預處理，識別異常報警，并將報警信息和異常分析記錄記入數(shù)據(jù)庫，可作為后續(xù)巡檢工作的參考^[12]。

3.1.3　在線記錄設備健康狀態(tài)

在線記錄設備健康狀態(tài)是針對當前定期巡檢方式進行的改進，其改變了當前巡檢對設備采取離線、人工、定期檢查的方式。依據(jù)巡檢工作設置的內(nèi)容記錄待檢設備的健康狀態(tài)（健康、亞健康、故障）和反應系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要參數(shù)，可以獲取人工巡檢無法采集的表征軟硬件設備內(nèi)部運行狀態(tài)的健康參數(shù)，增加了巡檢范圍的廣度和深度。

設備的健康參數(shù)包括配置類，即設備的配置信息，如操作系統(tǒng)版本、平臺軟件版本、初始網(wǎng)絡通信配置等；指標信息，包括節(jié)點級指標信息（如節(jié)點網(wǎng)絡負荷、CPU負荷、內(nèi)存負荷等），還包括進程級指標信息（如進程的網(wǎng)絡負荷、CPU負荷、內(nèi)存負荷、進程句柄、進程GDI等）。此外還有采集到的系統(tǒng)運行日志、板卡診斷信息。

3.1.4　在線記錄設備異常報警

在線記錄設備異常報警是針對當前定期巡檢方式進行的改進，其改變了當前巡檢對設備異常采取人工記錄的方式。設備異常報警是通過對設備健康參數(shù)進行識別和匹配閾值范圍，對處于故障和亞健康閾值范圍內(nèi)的健康參數(shù)觸發(fā)設備異常報警，并顯示設備的異常信息^[13]。

工程師在故障信息顯示列表中，點擊某一條設備的故障信息，可進入下一界面進一步記錄故障詳情，包括異常記錄、對應的巡檢項目內(nèi)容、參考閾值、巡檢結果和異常處理狀態(tài)，為設備運維活動提供輸入，并通知相關人員對發(fā)生的異常問題盡快進行處理。

3.1.5　在線檢查環(huán)境參數(shù)

在線檢查環(huán)境參數(shù)是針對當前定期巡檢方式進行的改進，其改變了當前巡檢對環(huán)境參數(shù)采取人工定期檢查的方式。環(huán)境參數(shù)主要包括外部環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，如溫度、濕度、灰塵等^[14]。智能在線巡檢利用環(huán)境傳感器采集參數(shù)，通過在線系統(tǒng)收集參數(shù)，依據(jù)設置的閾值判斷系統(tǒng)環(huán)境是否出現(xiàn)異常，記錄環(huán)境信息，并通過數(shù)據(jù)庫存儲。

工程師在設備環(huán)境信息列表進行檢查操作，可增加修改環(huán)境參數(shù)的巡檢記錄，也可進一步記錄環(huán)境參數(shù)詳情。

3.1.6　現(xiàn)場檢查設備和環(huán)境信息

現(xiàn)場檢查設備和環(huán)境信息是針對當前定期巡檢方式進行的改進，其簡化了現(xiàn)場巡檢流程并提高了巡檢的準確度。智能在線巡檢同樣支持現(xiàn)場檢查設備和環(huán)境信息，工程師首先通過巡檢工作計劃確認現(xiàn)場檢查的范圍，之后在現(xiàn)場掃碼確認人員已到位，通過掃碼獲取設備健康參數(shù)，現(xiàn)場核實設備健康異常信息，讀取并記錄現(xiàn)場環(huán)境信息，將現(xiàn)場信息上傳至數(shù)據(jù)中心。此外，當設備出現(xiàn)異常報警時，工程師可到現(xiàn)場核實設備健康異常信息，對設備異常進行處理，將設備異常處理內(nèi)容記錄并上傳至數(shù)據(jù)中心。

3.1.7　生成電子化巡檢報告

生成電子化巡檢報告是針對當前人工記錄產(chǎn)生巡檢報告進行的改進，其可自動生成巡檢報告，可信性高，并可形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)方便后續(xù)運維分析。

巡檢報告的正文是結合巡檢工作設置內(nèi)容和巡檢數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中自動生成的（調(diào)用數(shù)據(jù)庫字段，包括健康參數(shù)和環(huán)境參數(shù)信息）；巡檢報告附錄包括在系統(tǒng)中記錄的設備異常報警和環(huán)境異常（在巡檢報告中默認顯示本巡檢周期內(nèi)的異常信息，工程師另可配置異常信息顯示的時間范圍）以及專題分析報告（由工程師輸入，在系統(tǒng)中記錄作為歷史經(jīng)驗反饋）。

3.1.8　配置巡檢工作設置模板

配置巡檢工作設置模板是針對當前人工記錄產(chǎn)生巡檢報告進行的改進，其可調(diào)取已設置的模板直接生成電子化巡檢報告。為方便工程師進行在線巡檢，可提前配置好巡檢工作設置模板，使用時可從模板庫中直接調(diào)用，不需要每次巡檢都重新設置。

工程師可配置巡檢報告模板，內(nèi)容包括巡檢項目、周期、路線，為生成巡檢報告提供參考，并存入數(shù)據(jù)庫中。工程師在需要進行巡檢操作時，可直接從數(shù)據(jù)庫調(diào)用已配置好的巡檢報告模板。

3.2　智能在線巡檢運行架構設計

在核電DCS智能在線巡檢的運行架構設計中，核電DCS系統(tǒng)是在線巡檢的發(fā)起者，主要起到發(fā)送健康參數(shù)的功能，可將健康參數(shù)由系統(tǒng)內(nèi)輸送到系統(tǒng)外。

智能在線巡檢數(shù)據(jù)中心是巡檢的數(shù)據(jù)存儲機構，存儲包括從DCS系統(tǒng)發(fā)送的設備健康參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、由工程師制定的巡檢計劃和生成的電子化巡檢報告。同時，數(shù)據(jù)中心也負責記錄設備異常和設備故障預警，并對所有巡檢數(shù)據(jù)進行歸檔，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

工程師是智能在線巡檢的執(zhí)行者，負責對DCS設備狀態(tài)進行周期性的或根據(jù)現(xiàn)場需要非周期性的巡視檢查，并對已發(fā)生或可能發(fā)生的設備故障進行確認和記錄。

（1）巡檢前，工程師需要設置巡檢設備、范圍、巡檢周期及巡檢項目內(nèi)容；

（2）巡檢中，工程師根據(jù)實時采集的DCS系統(tǒng)設備自身和環(huán)境相關的健康參數(shù)及設備操作日志，及時準確地判斷設備的健康狀態(tài)情況，包括健康、亞健康和故障三種，并通過多種可視化界面進行顯示，當設備健康狀態(tài)顯示為亞健康和故障時，會自動觸發(fā)故障檢測報警（故障觸發(fā)報警、亞健康觸發(fā)預警）；

（3）巡檢后，工程師對巡檢內(nèi)容進行確定后，自動生成電子化巡檢報告。

此外，工程師也負責配置巡檢工作設置模板，即配置適用于不同情況下的巡檢工作項，其在進行巡檢工作設置時可直接導入已配置好的模板。

智能在線巡檢運行架構如圖4所示。

圖4 智能在線巡檢—運行架構

3.3　智能在線巡檢數(shù)據(jù)交互設計

為實現(xiàn)在線記錄設備健康狀態(tài)、在線記錄設備異常報警和在線檢查環(huán)境參數(shù)功能，智能在線巡檢數(shù)據(jù)的交互接口設計如圖5所示，將核電DCS系統(tǒng)與智能在線巡檢工作臺（InspectBench）隔離，各模塊運行相對獨立，不影響原有軟件系統(tǒng)功能^[15]。設計智能在線巡檢網(wǎng)關（iHMU），為智能在線巡檢工作臺（InspectBench）調(diào)用數(shù)據(jù)提供通用接口，并可將核電DCS系統(tǒng)內(nèi)部的設備健康參數(shù)和環(huán)境參數(shù)通過健康管理網(wǎng)（HNET）傳出。

圖5 智能在線巡檢—數(shù)據(jù)交互設計

參考以上智能在線巡檢的數(shù)據(jù)交互設計，在核電DCS系統(tǒng)內(nèi)部的改造工作包括通過部署在服務器上的插件（SpeAgent）采集設備健康參數(shù)^[16]。此外，區(qū)別于核電DCS系統(tǒng)原有的管理網(wǎng)（MNET）和系統(tǒng)網(wǎng)（SNET），設計專用HNET將DCS系統(tǒng)內(nèi)部的設備健康參數(shù)和環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)絠HMU。

3.4　智能在線巡檢業(yè)務架構設計

智能在線巡檢的業(yè)務架構總體設計為B/S結構，采用前后端分離模式開發(fā)。

其中客戶層基于Uni-app開發(fā)框架技術，支持跨平臺，使用一套代碼同時開發(fā)出多個平臺的應用，可以分別打包成PC端、平板端、手機端App，可支持在多平臺應用。

應用層采用微服務軟件架構模式，將場景功能服務和公共服務進行了服務劃分，每個服務可進行獨立部署和擴展，便于維護升級，減少了服務之間的影響。其易于功能擴展，可靈活部署在一臺或多臺計算機上。

在數(shù)據(jù)層采用時序數(shù)據(jù)庫和關系型數(shù)據(jù)庫相結合的部署模式。數(shù)據(jù)層也通過第三方對接DCS系統(tǒng)服務數(shù)據(jù)：可調(diào)取python算法模型等進行統(tǒng)一管理。

智能在線巡檢業(yè)務架構設計如圖6所示。

圖6 智能在線巡檢—業(yè)務架構設計

4　核電DCS智能在線巡檢原型驗證

基于開源可視化運維軟件Grafana搭建的智能在線巡檢工作臺原型，可將軟件運維監(jiān)視模塊（SpeAgent）采集到的設備健康參數(shù)進行可視化展示[16]。原型具體驗證效果如下：

首頁為巡檢工作設置。從主界面-在線巡檢進入該界面，界面顯示巡檢計劃列表和已執(zhí)行的巡檢計劃。將采集到的設備健康參數(shù)、設備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)和巡檢報告記入數(shù)據(jù)庫，如圖7所示，實現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)的存儲功能。

圖7 在線記錄設備健康狀態(tài)

在設備異常報警界面可顯示設備的異常信息，如圖8所示。工程師記錄此時系統(tǒng)的重要參數(shù)，結合巡檢異常結果分析，為設備運維活動提供輸入，對發(fā)生的異常問題盡快進行處理。

圖8 在線記錄設備異常報警

在智能在線巡檢工作臺可生成電子化巡檢報告，如圖9所示。其中巡檢報告正文結合巡檢工作設置內(nèi)容和巡檢數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中自動生成（調(diào)用數(shù)據(jù)庫字段，包括健康參數(shù)和環(huán)境參數(shù)信息），顯示內(nèi)容包括基于SFMEA的軟件故障模式統(tǒng)計、故障模式問題等級統(tǒng)計和故障問題匯總表。

圖9 生成電子化巡檢報告

5　結論

本文討論了當前核電DCS系統(tǒng)的巡檢痛點需求，介紹了一種針對核電DCS系統(tǒng)的智能在線巡檢設計，包括功能設計和架構設計，并基于以上設計進行了原型驗證。總之，該設計實現(xiàn)了核電DCS系統(tǒng)設備的智能巡檢和在線健康管理，并可實時記錄設備運行狀態(tài)，為故障預警和故障分析提供了基礎，實現(xiàn)了核電DCS系統(tǒng)領域傳統(tǒng)人工巡檢到智能化在線巡檢的轉變，大幅提升了巡檢效率和質(zhì)量。

基于核電DCS系統(tǒng)的智能在線巡檢設計結合了數(shù)字化與智能化的運維理念，實現(xiàn)了核電DCS系統(tǒng)的在線運維，通過設備的健康參數(shù)可監(jiān)視DCS系統(tǒng)的長期可靠運行。未來以此為數(shù)據(jù)基礎，進行核電DCS系統(tǒng)設備的故障預測性維修，能夠大幅節(jié)省核電運維成本，并帶來可觀經(jīng)濟效益。

作者簡介

鄧澤凡（1995-），男，北京人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電數(shù)字化儀控系統(tǒng)智能運維工作。

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摘自《自動化博覽》2024年3月刊